GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Beleuchtung eines Objekts für eine spektroskopische
Messung. Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung mit einer derartigen Vorrichtung
und einem Mobiltelefon sowie ein Verfahren zur Messung eines Vegetationsindex mit
einer derartigen Anordnung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0002] In der Landwirtschaft ist es von hohem ökonomischem und ökologischem Interesse, den
Gesundheitszustand der angebauten Kulturen möglichst unkompliziert erfassen und Unregelmäßigkeiten
möglichst in einem frühen Stadium erkennen zu können. Pflanzenkrankheiten, Schädlingsbefall
und inadäquate Düngung vermindern den Ertrag und die Qualität der angebauten Feldfrucht.
Frühzeitig eingeleitete Maßnahmen führen zu einer gezielten Düngung und dem minimalen
Einsatz von Herbiziden, Fungiziden und Pestiziden.
[0003] Die spektral aufgelöste optische Messung der Lichtreflektion an Blättern erlaubt
in vielen Fällen einen Rückschluss auf den Versorgungszustand der Pflanze bzw. Pflanzenkrankheiten.
Spektralmessungen werden im Labormaßstab und zunehmend auch im Feld eingesetzt. Neben
der Punktmessung wird auch zunehmend hyperspektral messende Sensorik (HSI = Hyperspektral
Imaging) eingesetzt. Der bevorzugte Wellenlängenbereich umfasst dabei das sichtbare
Licht (VIS = Visible) und den Nahinfrarotbereich (NIR = Near Infrared) von 400 bis
1500 nm.
[0004] Die hohen Kosten für die HSI-Messtechnik stehen einer breiten Anwendung in der Landwirtschaft
entgegen.
[0005] Die offenbarte kompakte, kostengünstige Sensorik versetzt den Landwirt in die Lage
den Gesundheitszustand seiner Kulturen auf einfache Art und Weise selbst und so oft
wie gewünscht zu kontrollieren.
[0006] Klassische optische Spektroskopie wird seit langer Zeit zur Untersuchung von Pflanzenkrankheiten
(z.B. Blattkrankheiten) und der Untersuchung des Versorgungsgrades von Pflanzen eingesetzt.
Klassische optische Spektroskopie umfasst hierbei die Verwendung von natürlichen oder
künstlichen Lichtquellen (Sonne, Glühstrahler), die das zu untersuchende Objekt bestrahlen,
die Anwendung eines Spektralapparates, der die Aufzeichnung einer Wellenlängen-abhängigen
reflektierten Intensität erlaubt. Aus den spektralen Signaturen wird der gewünschte
Vegetationsindex (VI) berechnet und dem Bediener angezeigt.
[0007] Vegetationsindizes sind aus Erfahrung eingeführte numerische Parameter, mit denen
man den Zustand von Pflanzen charakterisieren kann. Vegetationsindizes errechnen sich
aus Verhältnissen von Intensitäten im Reflexionsspektrum bei ausgewählten Wellenlängen.
Einer der bekanntesten VIs ist der NDVI (Normalized Difference Vegetations Index,
FIG. 1)), der sich nach der Formel in der FIG. 1 berechnet. Er beschreibt ein Maß
für den Stress, unter dem eine Pflanze steht. Dabei kann der Stress verschiedene Ursachen
haben, wie z.B. Trockenheit, Mangelernährung oder Krankheit.
[0008] In neuerer Zeit kam zur beschriebenen Punktmessung die lokal aufgelöste Messung,
die eine hyperspektrale Bildgebung ermöglicht. Der Punktdetektor des Spektralapparates
wird dabei durch ein zweidimensionales Detektor-Array ersetzt. Damit kann ein VI-Bild
der Objektoberfläche erstellt werden, welches die gesucht Information enthält. Dieses
Prinzip wird in verschiedenen Variationen im Stand der Technik beschrieben und in
kommerziell erhältlichen Geräten umgesetzt.
[0009] Kommerzielle Lösungen sind beispielsweise:
Im Greenseeker werden LEDs mit Emissionswellenlängen im VIS (656 nm) und NIR (774nm)
zur Beleuchtung des Objekts eingesetzt. Damit ist der Spektralapparat in die Lichtquelle
verlagert. Ein Silizium-basierter Ein-Kanal-Detektor registriert das vom Objekt reflektierte
Licht. Die Auswertung nach dem VI erfolgt in einer proprietären Recheneinheit.
[0010] Der Isaria VI-Sensor funktioniert im Prinzip wie der Greenseeker mit dem Unterschied,
dass vier LEDs unterschiedlicher Wellenlängen zum Einsatz kommen und damit verschiedene
VIs berechnet werden können.
[0011] LDP LLC-MAXMAX.COM bietet einen abbildenden VI-Sensor für die Fernerkundung (remote
sensing) an. Der Sensor basiert auf einem Mobiltelefon (Samsung Galaxy S4 zoom), bei
dem die drei Farbkanäle der normalen VIS-Kamera modifiziert sind. Im Color Filter
Array auf dem Bildsensor der Kamera sind die drei Farbkanäle an die für VIs relevanten
Absorptionsbanden angepasst, in einer Variante z.B. auf den normalen Rot- und Grünbereich
und der nominelle Blaukanal detektiert Licht im NIR-Bereich von 800 - 900 nm. Als
Lichtquelle für die Reflexionsmessung wird die Sonne verwendet.
[0018] In der Offenlegungsschrift
US 2013/0217439 A1 wird ein Mobiltelefon-basierten NDVI-Sensor offenbart, wobei der Spektralapparat
mit zwei optischen Filtern vor dem Objektiv der integrierten Kamera realisiert wird.
Die beiden Filter werden entweder abwechselnd vor dem Objektiv platziert oder bilden
das Objekt nach Wellenlänge getrennt auf zwei unterschiedliche Bereiche des Bildsensors
ab.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
[0019] Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Lösung anzugeben, mit deren Hilfe spektroskopisch
der Gesundheitszustand von Pflanzen ermittelt werden kann.
[0020] Die Erfindung ergibt sich aus den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Weitere
Merkmale, Anwendungsmöglichkeiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der
nachfolgenden Beschreibung.
[0021] Ein Aspekt der Erfindung offenbart einen kostengünstigen Sensoraufbau aufweisend
eine Kombination von Mobiltelefon und optischer Beleuchtungseinheit zur Beurteilung
des Pflanzenzustands.
[0022] Die offenbarte Vorrichtung zur Bestimmung des Zustands einer Pflanze anhand spektraler
Bildgebung mit aktiver Beleuchtung, z.B. in Form von LEDs verschiedener Wellenlängen
unter Nutzung der Kamera eines Mobiltelefons zur Bilderfassung ist weder kommerziell
erhältlich noch im Stand der Technik offenbart.
[0023] Die Vorteile der offenbarten Lösung sind:
Auf Basis eines Mobiltelefons als weltweit massenhaft verbreiteter Technologieplattform
kann der Pflanzensensor kostengünstig realisiert werden.
[0024] Als Add-on wird der Pflanzensensor bei Bedarf mit dem Mobiltelefon kombiniert, z.B.
in Form einer Schale, in die das Mobiltelefon eingelegt wird. Damit ergibt sich eine
kompakte Bauform, die eine unkomplizierte Handhabung ermöglicht und damit die Akzeptanz
fördert. Auf störanfällige elektrische Verbindungen kann verzichtet werden, wenn die
Kommunikation zwischen Add-on und Mobiltelefon und die Energieversorgung (induktives
Laden) drahtlos erfolgen.
[0025] Das Mobiltelefon stellt alle zum Betrieb des Pflanzensensors als Add-on benötigten
Module zur Verfügung, z.B. Kamera, Recheneinheit, Stromversorgung über USB oder induktives
Laden, GPS zur Positionsbestimmung. Darüber hinaus sind alle benötigten Kommunikationskanäle
zwischen Sensor und Mobiltelefon z.B. USB, WLAN, Bluetooth, NFC vorhanden.
[0026] Zur Übermittlung von Messergebnissen an eine zentrale Datenbank bzw. Parametern für
die Messung von der Datenbank an den Sensor steht der Anschluss an das Mobilfunknetz
zur Verfügung.
[0027] Moderne Mobiltelefone stellen genügend Rechenleistung für die Verarbeitung der hyperspektralen
Bilder zu Abbildungen, z.B. zur Darstellung des Vegetationsindex, zur Verfügung. Bei
Verwendung mehrerer Wellenlängen steht auch die Möglichkeit offen, aus den einzelnen
Spektren mit Methoden der KI weitergehende Informationen zu extrahieren z.B. den Düngezustand,
Pflanzenkrankheiten bzw. den Schweregrad der Krankheit. Darüber hinaus kann auch die
ortsaufgelöste Information zur Identifikation von Krankheiten mit inhomogen verteiltem
Auftreten genutzt werden (Blattfleckenkrankheiten).
[0028] Die Erfindung offenbart eine Vorrichtung zur Beleuchtung eines Objekts für eine spektroskopische
Messung, aufweisend
- einen an ein Mobiltelefon fixierbaren, zum Beispiel klemmbaren, Grundkörper, wobei
der Grundkörper derart ausgebildet ist, dass mindestens eine Hauptkamera des Mobiltelefons
freie Sicht auf das Objekt hat, und
- eine in dem Grundkörper angeordnete in Aufnahmerichtung der Hauptkamera strahlende
schaltbare Beleuchtungseinheit, wobei mindestens ein Wellenlängenbereich der Beleuchtungseinheit
für die spektroskopische Messung ausgebildet ist.
[0029] In einer Weiterbildung ist der Grundkörper als mit dem Mobiltelefon auf der Seite
der Hauptkamera klemmbaren Schale ausgebildet.
[0030] In einer weiteren Ausführungsform weist die Beleuchtungseinheit mindestens zwei LEDs
auf.
[0031] In einer weiteren Ausgestaltung kann der Wellenlängenbereich das sichtbare rote Licht
und das nahe Infrarot umfassen.
[0032] In einer weiteren Ausgestaltung kann die Beleuchtungseinheit in einem vorgegebenen
Wellenlängenbereich durchstimmbar sein.
[0033] In einer Weiterbildung können eine in dem Grundkörper angeordnete Batteriespeichereinheit
und/oder induktive Stromübertragungseinheit ausgebildet sein.
[0034] In einer weiteren Ausgestaltung kann eine Bluetooth Sende- und Empfangseinheit ausgebildet
sein, um die Beleuchtungseinheit aus der Ferne zu steuern. Dadurch kann die Vorrichtung
vorzugsweise "remotely" durch ein Mobiltelefon steuerbar sein.
[0035] Die Erfindung offenbart auch eine Anordnung mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
und einem Mobiltelefon, mit dem die Vorrichtung lösbar verbunden ist.
[0036] In einer Weiterbildung kann zwischen der Vorrichtung und dem Objekt ein Tubus angeordnet
sein, wobei der Tubus ausgebildet ist, den Strahlengang der Beleuchtungseinheit und
der Hauptkamera aufzunehmen.
[0037] In einer Weiterbildung kann die Anordnung derart ausgebildet sein, dass die Energieversorgung
der Beleuchtungseinrichtung induktiv durch das Mobiltelefon erfolgt.
[0038] Die Erfindung offenbart schließlich auch ein Verfahren zur Ermittlung eines Vegetationsindex
einer Pflanze mit einer erfindungsgemäßen Anordnung, wobei das Mobiltelefon die Steuerung
und die Ermittlung des Vegetationsindex durchführt.
[0039] In einer Weiterbildung kann das Mobiltelefon Bilder mit und ohne aktive Beleuchtungseinheit
aufnehmen und die so ermittelte Hintergrundbeleuchtung rechnerisch von Bildern mit
aktiver Beleuchtungseinheit abziehen.
[0040] Weitere Besonderheiten und Vorteile der Erfindung werden aus den nachfolgenden Erläuterungen
eines Ausführungsbeispiels anhand von schematischen Zeichnungen ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
[0041] Es zeigen:
FIG. 1 die Berechnung des Normalized Difference Vegetation Index gemäß Stand der Technik,
FIG. 2 eine Schnittansicht der Anordnung zur Bestimmung eines Vegetationsindex und
FIG. 3 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Bestimmung eines Vegetationsindex.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0042] FIG. 2 zeigt eine Schnittansicht der offenbarten Lösung. Der dargestellt Aufbau umfasst
einen Grundkörper 1 und eine darin angeordnete Beleuchtungseinheit 2, die ein Objekt
6, z.B. ein Blatt einer Pflanze, mit Licht unterschiedlicher Wellenlängenbereiche
in geeigneter (zeitlicher) Abfolge beleuchtet und die Hauptkamera 5.1 des Mobiltelefons
5, die das vom Objekt 6 reflektierte Licht erfasst und bei geeigneter Synchronisation
zwischen Beleuchtungseinheit 2 und Aufnahme von Bildern der unterschiedlichen Wellenlängen
generiert. Der Grundkörper weist eine Öffnung 1.1 auf, durch die die Hauptkamera 5.1
"schauen" kann.
[0043] Bei der Beleuchtungseinheit 2 handelt es sich vorzugsweise um eine kontinuierlich
oder in diskreten Schritten durchstimmbare Lichtquelle mit gegebener optischer Bandbreite,
die den spektralen Erfassungsbereich von den typischerweise in Mobiltelefonen 5 eingebauten
Silizium CCDs ganz oder teilweise überstreicht. Bevorzugt ist die Wellenlängenauflösung
der Beleuchtungseinheit 2 der spektralen Variabilität der Spektren angepasst. Im einfachsten
Fall handelt es sich um einen Satz zweier LEDs 2.1 unterschiedlicher an die Sensorik-Aufgabe
angepasster Wellenlängen.
[0044] Es können auch mehr als zwei LEDs 2.1 eingesetzt werden, um z.B. ein Spektrum zu
erzeugen oder verschiedene VI Erfassungen realisieren zu können. Statt LEDs 2.1 können
auch Laser wie z.B. Laserdioden eingesetzt werden oder eine Lichtquelle, die eine
spektrale Intensitätsmodulation erlaubt, wie beispielsweise in der Offenlegungsschrift
WO 2016/173661 A1 dargelegt.
[0045] Hauptkameras 5.1 in Mobiltelefonen 5 liefern üblicherweise ein Rot-Grün-Blau-Bild
(RGB-Bild) des Objekts 6. Die Realisierung erfolgt in der Regel mit einem Farbfilter-Array
(Bayerfilter), das jedem Pixel des Bildsensors der Hauptkamera 5.1 einen definierten
Wellenlängenbereich zuordnet. Häufig umfasst der Filterbereich für die roten Farbtöne
auch den Nahinfrarotbereich bis ca. 1000 nm. Bei Verwendung von zwei oder drei LEDs
2.1, die jeweils nur in einem Filterbereich emittiert (rot, grün oder blau), kann
die Messung des VI simultan mit einer einzigen Aufnahme erfolgen, was die Ausführung
der Aufnahme vereinfacht und robust gegen Verwackeln macht.
[0046] Wenn zwei oder mehr Wellenlängen in einem Farbkanal detektiert werden sollen, müssen
die Aufnahmen für die entsprechenden Wellenlängen zeitlich nacheinander durchgeführt
werden.
[0047] Hauptkameras 5.1, deren Rot Kanal nicht den NIR-Bereich überstreicht sind ungeeignet,
wenn eine NIR-Wellenlänge ausgewertet werden muss, es sei denn, die Hauptkamera 5.1
verfügt über einen eigenen NIR-Bildsensor oder einen Wellenlängenunabhängigen Bildsensor.
[0048] Der Arbeitsabstandsbereich erstreckt sich vom minimalen Abstand, bei dem die Hauptkamera
5.1 noch fokussieren kann (Zentimeterbereich) bis zu einem Abstand, bei dem die Beleuchtungseinheit
2 in der Lage ist, nach Reflexion am Objekt 6 noch genügend Lichtintensität zu liefern,
um eine Aufnahme mit einem ausreichenden Signal-zu-Rauschabstand zu gewährleisten.
[0049] Zur Intensitätskorrektur der Rohbilder kann man wie üblich bei spektral zu bewertenden
Messverfahren vor der eigentlichen Messung eine Dunkel- und eine Weißreferenz aufnehmen.
Bei der Synchronisation der Beleuchtungseinheit 2 mit der Bildaufnahme kann man in
geeigneter Abfolge (z.B. abwechselnd) Bilder mit und ohne aktive Beleuchtung aufnehmen
und damit die Hintergrundbeleuchtung rechnerisch abziehen.
[0050] In einer Variante kann man das Hintergrundlicht auch durch Einsatz eines Tubus 7
(siehe FIG. 3) zwischen Mobiltelefon und dem zu messenden Objekt 6 abschatten. Die
objektseitige Öffnung des Tubus 7 wird während der Messung mit dem zu messenden Objekt
6 abgedeckt (z.B. Blatt). Hinter dem zum messenden Objekt 6 kann zusätzlich eine Abdeckung
verwendet werden, die bei transparenten Objekten 6 das durchscheinende Hintergrundlicht
eliminiert. Die beiden Varianten zur Eliminierung des Hintergrundlichts können auch
in Kombination angewandt werden.
[0051] FIG. 3 zeigt des Weiteren eine induktive Stromübertragungseinheit 3 sowie ein Bluetooth
Sende- und Empfangseinheit 4 in dem Grundkörper 1.
[0052] Die Berechnung der "VI-Bilder" erfolgt zweckmäßigerweise in der Recheneinheit des
Mobiltelefons. Damit kann dem Benutzer sofort das Ergebnis der Messung gezeigt werden.
Moderne Mobiltelefone 5 verfügen über genügend Rechenleistung, um z.B. die Steuerung
der Messung und die Datenauswertung zu übernehmen. Darüber hinaus stehen verschiedene
Module (z.B. GPS) und Funkkanäle zur Verfügung, um die ausgewerteten Daten sowie für
die Messung wichtige Parameter (Pflanzensorte, spektral Merkmale verschiedener Pflanzenkrankheiten
für die Messung, usw.) mit einer zentralen Datenbank auszutauschen zu können.
[0053] Obwohl die Erfindung im Detail durch die Ausführungsbeispiele näher illustriert und
beschrieben wurde, ist die Erfindung durch die offenbarten Beispiele nicht eingeschränkt
und andere Variationen können vom Fachmann daraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang
der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste
[0054]
- 1
- Grundkörper
- 1.1
- Öffnung für Hauptkamera 5.1
- 2
- Beleuchtungseinheit
- 2.1
- LED
- 3
- Stromübertragungseinheit
- 4
- Bluetooth Sende - und Empfangseinheit
- 5
- Mobiltelefon
- 5.1
- Hauptkamera
- 6
- Objekt (z.B. Blatt)
- 7
- Tubus
1. Vorrichtung zur Beleuchtung eines Objekts (6) für eine spektroskopische Messung,
gekennzeichnet durch:
- einen an ein Mobiltelefon (5) fixierbaren Grundkörper (1), wobei der Grundkörper
(1) derart ausgebildet ist, dass mindestens eine Hauptkamera (5.1) des Mobiltelefons
(5) freie Sicht auf das Objekt (6) hat,
- eine in dem Grundkörper (1) angeordnete in Aufnahmerichtung der Hauptkamera strahlende
und schaltbare Beleuchtungseinheit (2), wobei mindestens ein Wellenlängenbereich der
Beleuchtungseinheit (2) für die spektroskopische Messung ausgebildet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundkörper (1) als mit dem Mobiltelefon (4) auf der Seite der Hauptkamera (5.1)
klemmbaren Schale ausgebildet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beleuchtungseinheit (2) mindestens zwei LEDs (2.1) aufweist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass der Wellenlängenbereich das sichtbare rote Licht und das nahe Infrarot umfasst.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Beleuchtungseinheit (2) in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich durchstimmbar
ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
- eine in dem Grundkörper (1) angeordnete Batteriespeichereinheit und/oder induktive
Stromübertragungseinheit (3).
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch:
- eine Bluetooth Sende- und Empfangseinheit (4) ausgebildet, die Beleuchtungseinheit
(2) aus der Ferne zu steuern.
8. Anordnung mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
gekennzeichnet durch:
- ein Mobiltelefon (5), mit dem die Vorrichtung lösbar verbunden ist.
9. Anordnung nach Anspruch 8,
gekennzeichnet durch:
- einen zwischen der Vorrichtung und dem Objekt (6) angeordneten Tubus (7), wobei
der Tubus (7) ausgebildet ist, den Strahlengang der Beleuchtungseinheit (2) und der
Hauptkamera (5.1) aufzunehmen.
10. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, derart ausgebildet, dass die Energieversorgung
der Beleuchtungseinheit (2) induktiv durch das Mobiltelefon (5) erfolgt.
11. Verfahren zur Ermittlung eines Vegetationsindex einer Pflanze (6) mit einer Anordnung
nach einem der Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mobiltelefon (5) die Steuerung und die Ermittlung des Vegetationsindex durchzuführt.
12. Verfahren nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Mobiltelefon (5) Bilder mit und ohne aktive Beleuchtungseinheit (2) aufnimmt
und die so ermittelte Hintergrundbeleuchtung rechnerisch von Bildern mit aktiver Beleuchtungseinheit
abzieht.